從為“兩彈一星”培養(yǎng)尖端人才,到“墨子號”量子科學實驗衛(wèi)星上天，中國科學技術大學自誕生之日起,就肩負著“科教報國”的重任。9月20日,在中科大建校60周年之際，又傳來好消息。近日，浙江東陽籍科學家、中國科學技術大學教授潘建偉及其同事張強、范靖云、馬雄峰等與中科院上海微系統(tǒng)所和日本NTT基礎科學實驗室合作，在發(fā)展高品質糾纏光源和高效率單光子探測器件的基礎上，利用量子糾纏的內稟隨機性，在國際上首次成功實現(xiàn)器件無關的量子隨機數(shù)。相關研究成果于北京時間9月20日凌晨在線發(fā)表在國際權威學術期刊《自然》雜志上。這項突破性成果將在數(shù)值模擬、密碼學等領域得到廣泛的應用，有望形成新的隨機數(shù)國際標準。

　　隨機數(shù)在科學研究和日常生活中都有著重要的應用：例如，天氣預報、新藥研制、材料設計、工業(yè)設計和核武器研制等領域，常常需要通過數(shù)值模擬進行計算，而數(shù)值模擬的關鍵就是要有大量隨機數(shù)的輸入；在游戲、人工智能等領域，需要使用隨機數(shù)來控制系統(tǒng)的演化；在通信安全、現(xiàn)代密碼學等領域，則需要第三方完全不知道的隨機數(shù)作為安全性的基礎。

　　以往通常有兩類獲取隨機數(shù)的途徑：基于軟件算法實現(xiàn)或基于經(jīng)典熱噪聲實現(xiàn)。軟件算法實現(xiàn)的隨機數(shù)是利用算法根據(jù)輸入的隨機數(shù)種子給出均勻分布的輸出。然而，對于確定的輸入，固定的算法將給出確定的輸出序列，從這個角度上來說，這類隨機數(shù)本質上是確定性的，并不真正隨機。基于經(jīng)典熱噪聲的隨機數(shù)芯片讀取當前物理環(huán)境中的噪聲，并據(jù)此獲得隨機數(shù)。這類裝置相對于基于軟件算法的實現(xiàn)，由于環(huán)境中的變量更多，因此更難預測。然而在牛頓力學的框架下，即使影響隨機數(shù)產(chǎn)生的變量非常多，但在每個變量的初始狀態(tài)確定后，整個系統(tǒng)的運行狀態(tài)及輸出在原理上是可以預測的，因此這一類裝置的也是基于確定性的過程，只是某種更難預測的偽隨機數(shù)。量子力學的發(fā)現(xiàn)從根本上改變了這一局面，因為其基本物理過程具有經(jīng)典物理中所不具有的內稟隨機性，從而可以制造出真正的隨機數(shù)產(chǎn)生器。

　　量子力學這種內稟的概率特性，從量子力學理論發(fā)展的初期就一直深深困擾著愛因斯坦、薛定諤和溫伯格等重要物理學家。直到1964年，美國物理學家貝爾發(fā)現(xiàn)通過對量子糾纏進行關聯(lián)測量，量子力學和定域確定性理論會對測量結果有著不同的預言。利用這個特性即可開展貝爾實驗檢驗，從而判定量子力學的基礎是否完備和量子隨機性是否存在。

　　貝爾的理論提出之后的幾十年中，世界各國的眾多科研小組進行了大量的實驗，量子力學和量子隨機性經(jīng)受住了相關的實驗檢驗。然而到目前為止，尚有兩個漏洞需要關閉，即自由選擇漏洞和塌縮的定域性漏洞。

　　潘建偉小組長期從事量子力學基礎檢驗，針對這兩個漏洞，他們分別利用觀察者自主選擇和遙遠星體發(fā)光產(chǎn)生的隨機數(shù)，于今年分別實驗實現(xiàn)了超高損耗下和大量觀察者參與的貝爾實驗檢驗，文章先后發(fā)表在《物理評論快報》和《自然》雜志上。

　　重要而有趣的是，由于貝爾實驗與量子內稟隨機性存在著深刻的內在聯(lián)系，貝爾實驗的檢驗可以從根本上排除定域確定性理論，從而實現(xiàn)不依賴于器件的量子隨機數(shù)，即器件無關量子隨機數(shù)。這類隨機數(shù)發(fā)生器被認為是安全性最高的隨機數(shù)產(chǎn)生裝置，即使采用惡意第三方制造的組件，或者竊聽者擁有計算能力最強的量子計算機，也無法預測或獲知它所產(chǎn)生的隨機數(shù)。因此目前國際上紛紛開展這種隨機數(shù)產(chǎn)生器的研制工作，美國國家標準與技術研究院（NIST）正計劃利用器件無關的量子隨機數(shù)產(chǎn)生器建立新一代的隨機數(shù)國家標準。

　　實現(xiàn)器件無關的量子隨機數(shù)產(chǎn)生器在實驗上具有極高的技術挑戰(zhàn)：整套隨機數(shù)產(chǎn)生裝置需要以極高的效率進行糾纏光子的產(chǎn)生、傳輸、調制、探測；同時，不同組件間需要設置合適的空間距離以滿足類空間隔要求，才能以最高的安全性保證任何竊聽者不能通過內部通信偽造貝爾不等式測試的結果。

　　潘建偉、張強研究組經(jīng)過三年多的努力發(fā)展了高性能糾纏光源，首先優(yōu)化了糾纏光子收集、傳輸、調制等效率，并采用上海微系統(tǒng)與信息技術研究所開發(fā)的高效率超導單光子探測器，實現(xiàn)了高性能糾纏光源的高效探測（[Phys. Rev. Lett. 120，010503 (2018)]）；然后通過設計快速調制并進行合適的空間分隔設計，滿足了器件無關的量子隨機數(shù)產(chǎn)生裝置所需的類空間隔要求。最終，在世界上首次實現(xiàn)了器件無關的量子隨機數(shù)產(chǎn)生器。

　　該工作及后續(xù)工作將為密碼學、數(shù)值模擬以及需要隨機性輸入的各個領域提供真正可靠的隨機性來源，同時由于可信任的隨機數(shù)源是現(xiàn)實條件下量子通信安全性的關鍵環(huán)節(jié)，器件無關隨機數(shù)的實驗實現(xiàn)也進一步確保了現(xiàn)實條件下量子通信的安全性。

　　未來，中科大團隊將建設高速穩(wěn)定的器件無關量子隨機數(shù)產(chǎn)生裝置，通過提供基于量子糾纏內稟隨機性的、高安全性的隨機數(shù)，爭取形成新一代的國際隨機數(shù)標準。（浙江在線記者 劉晨茵 通訊員 王曉亮）